汽轮机高压缸进汽室疏水管泄漏原因分析

汽轮机高压缸进汽室疏水管泄漏原因分析

金楹添

身份证号码：230302198808124734

摘要：汽轮机高压缸首级疏水管段（靠近节流孔板处）发现焊缝缺陷，将高压缸两侧下进汽室疏水管整根割下，对弯管和节流孔件两端焊缝等处分割后，发现两根管线都有减薄迹象，弯管段壁面减薄明显，节流元件附近腐蚀减薄严重，本文结合运行工况、管壁减薄、断口宏微观、流场模拟分析。确认管线泄漏原因并提出解决方案。

关键词：冲刷腐蚀 减薄穿孔 流场模拟

1. 前言

汽轮机高压缸首级疏水管段（靠近节流孔板处）在运行时发现焊缝缺陷，后发现两根管线都有减薄迹象，弯管段壁面减薄明显，节流元件附近腐蚀减薄严重。

该汽轮机高加疏水管线上游温度为216℃，压力为1.95MPa；孔板下游温度为167℃，压力为0.64Mpa。疏水管道材料为ASME106B，尺寸为1in，壁厚80H（约4.5mm），沿节流孔板分成两段管道，其中一段管道有两个90°弯，另一段管道有一个90°弯和一个U型弯，节流孔板与管道采用承插焊，管道采用冷弯，无热处理要求。

2. 分析过程

2.1 管壁减薄分析

为得到管线的壁厚减薄情况，采用无损的方式对弯头及周边管壁进行测厚，周向测8个点，轴向步长为10mm。将所测数据按照色阶进行排列，采用三色刻度，中值（名义壁厚的87.5%），大于中值和小于中值。再分别以管道的周向及轴向为XY轴、所测点的壁厚值为Z轴，画出管道壁厚的三维图。其中孔板下游至弯头下游的管段，这两根管段减薄最严重，见图1-1。最薄处在孔板下游，仅为2mm（原始壁厚约4.5mm），弯头位置也发生了减薄，厚度约为3.8mm；孔板下游及弯头部位均发生了严重的减薄，孔板下游已发生穿孔，弯头位置最小厚度为0.7mm。其余10个弯头的壁厚减薄较轻，最薄处为4.0mm，。

图1-1弯头壁厚分布图

2.2 宏观形貌分析

对减薄较严重的管段进行取样，采用三维体式显微镜观察其宏观形貌。

2.2.1 1管段

1管段减薄严重的区域在孔板下游位置，减薄发生在管道内壁。孔板下游位置放大20倍的腐蚀形貌，孔板下游内表面呈灰色，夹杂着部分黄色和红褐色的腐蚀产物，表面腐蚀形貌部分呈橘皮状，其余部分表面呈平滑的沟槽状，在200倍体式下，表面有波浪纹或海滩状形貌。纵向切剖面显示，该处管壁发生了较严重的减薄。

2.2.2 2管段

2管段为孔板下游至第一个弯头下游位置，从上述测厚结果可以看出，孔板下游和第一个弯头位置均发生了较严重的减薄。孔板下游位置已经发生了腐蚀穿孔，穿孔部位附近内表面布满了红褐色的腐蚀产物，总体腐蚀减薄形貌呈河流状。

1管段弯头位置内表面的腐蚀形貌，其内表面主要呈灰色，部分位置出现黄色和红褐色的腐蚀产物，表面形貌为光滑的沟槽状，放大后可见表面形貌为波浪纹或海滩状。

2.3 微观形貌分析

选取减薄较严重的1管段和2管段进行微观形貌分析，其200倍下内表面呈橘皮状，1000倍下可见外层氧化膜不完整。该管段外层氧化膜很稀疏，仅能看到少量的外层氧化物颗粒，高倍下内层氧化膜有被流体冲破的痕迹。

2.4 材质分析

2.4.1 金相分析

选取减薄较严重的1管道孔板下游、1管段孔板下游和1管段弯头位置处取样进行金相组织、夹杂及晶粒度分析，检测设备为Axiovert 200 MAT金相显微镜，选用4%硝酸酒精溶液作为缓蚀剂。检测标准分别为《GB/T 13299-1991 金属显微组织检验方法》、《GB/T 6394-2002 金属平均晶粒度测定法》和《GB/T 10561-2005钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》。其金相和夹杂分析三个位置的金相组织均为铁素体+珠光体，晶粒度等级为9级，夹杂物等级为D0.5。

2.4.2 成分分析

管道材质为碳钢，牌号为ASME106B（相当于国内的20#钢）。参考标准《ASME A106 高温用无缝碳钢公称管》。在6根管道上分别钻屑取样进行成分分析，每份重量约10克。钻屑前先用砂轮打磨掉试样表面的氧化物等，钻屑过程中保证试样的发热量尽可能小。成分分析按照《GB/T 20123-2006钢铁 总碳硫含量的测定 高频感应炉燃烧后红外线吸收法》和《CSM 07 03 94 01-2003合金钢-锰、磷、铬、镍、钼、铜、钒、钴、钛、铝含量的测定-电感耦合等离子体发射光谱法》测定。分析仪器为CS-902G型高频红外碳硫分析仪、OPTIMA 2100DV型全谱直读等离子体光谱仪。分析结果见表1-1，其化学成分符合标准ASME A106的要求。

表1-1 化学成分分析结果（质量分数 /%）

2.4.3 硬度分析

对上述减薄较严重的三处样品截面进行硬度检查，结果见表1-2。从表上可见，所检管段硬度均值约为130HV~160HV。

表1-2 减薄位置管道材质硬度检测结果

2.5 流场模拟分析

通过solidworks三维建模软件按照实际尺寸对失效管段进行建模，为简化分析，此处忽略闪蒸模型，对三维管道模型进行网格划分后，代入初始条件，进行迭代计算后得到管道内部的流速分布图（由于实际疏水量未知，此处流速只做定性分析）。计算后得知靠近节流孔板的下游位置的流速较高。同时节流孔板下游第一个弯头外弯位置也出现了高流速区域。

3、综合分析

采用超声测厚的方式对失效的疏水管线进行壁厚检查，结果显示1和2管段减薄较严重。采用宏微观分析、材质分析和流场模拟等手段对1和2管段进行综合分析。

1管段孔板下游位置已经减薄至穿孔，弯头外弯位置也出现了较严重的减薄，1管段孔板下游位置减薄较严重。该管段材料牌号为ASME106B，经湿法和碳硫分析确认其成分符合标准要求，所检测管段的金相组织为铁素体＋珠光体，晶粒度为9级，夹杂D0.5，满足标准要求。

从宏微观形貌分析可见，1管段减薄较严重的表面呈平滑沟槽状形貌，微观下呈波纹状或海滩状，表层氧化膜几乎已经不存在，内层氧化膜破裂，是典型的冲刷腐蚀形貌；其余减薄区域有橘皮状FAC形貌，该管道材料Cr含量非常低，是FAC敏感管线（Cr含量＜0.2%为FAC敏感管线）。

从数值模拟的结果看，由于节流孔板偏心设计（节流孔板外圈与管道内壁相切），液态疏水流过节流孔板，由于压降部分疏水会闪蒸成蒸汽，形成高流速的气液两相介质，对靠近节流孔板的位置产生冲刷图1-3；另外，在弯头位置，由于气液两相介质中液相的比重较大，在高流速下，会直接冲击弯头外侧，对弯头造成冲刷腐蚀减薄。该管道壁厚约为4.5mm，至穿孔失效时已使用10年时间，可知其年减薄量约为0.45mm/y。

图1-3 弯头位置的冲刷

根据ASME B31.1 Power Piping 104.1 Straight pipe章节（或DL/T5054-1996火力发电厂汽水管道设计技术规定），直管的最小壁厚由公式（1）或（2）决定。

              (1)

            (2)

其中D为管子外径，mm；E为纵向焊缝系数（对于无缝管，取1.0，对于电阻焊接管，取0.85）；Y为温度系数，对于温度小于482℃以下的铁基材料，取0.4；S为材料的许用应力，A106B取近似值137MPa；A为考虑腐蚀、磨损和机械强度要求的附加厚度，mm。此处仅计算管道在冲刷减薄后能承受系统压力的最小壁厚值，A值不考虑。计算求得在1.95MPa压力下管道的最小承压壁厚为0.17mm，在0.64MPa下最小承压壁厚为0.06mm。

4、结论

1、该疏水管线发生了减薄穿孔，年减薄量最大值约为0.45mm/y；

2、该疏水管线的成分、组织等均满足标准要求；

3、通过上述分析，该疏水管线减薄穿孔的主要原因为冲刷腐蚀；

4、由于管线材质的Cr含量较低，FAC也是管道减薄原因之一；

5、优化节流孔板设计，降低管道发生冲蚀的可能性；

6、在节流孔板下游增大管径或选用更耐冲刷腐蚀的材料。

参考文献

1.陆世英，张德康，不锈钢应力腐蚀破裂 [M]，北京：科学出版社，1977

2.杨武等，金属的局部腐蚀[M]，北京：化学工业出版社，1995

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4.李洋，曾祥国，肖雨果，黄了，陈成，气液两相流在油气弯管处冲刷腐蚀的数值模拟，石油机械，2015

5.蔡峰，柳伟，樊学华，路民旭，流体喷射条件下金属材料冲刷腐蚀的研究进展，摩擦学学报，2011

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